De grote troef van Einstein was zijn verbeeldingskracht, die werd gekenmerkt door kinderlijke fantasie, niet beperkt door de patronen die werden opgelegd door realistische volwassenheid.
Constante lichtsnelheid
Het is mogelijk dat de eerste inspiratie voor de wetenschapper de trein was die naar het station in Zürich ging, waar Albert Einstein toen woonde en werkte. Terwijl we langzaam het station verlaten en uit het raam kijken, zien we het perron vertrekken. Een volwassene zal meteen begrijpen dat het geen platform is dat in beweging is, maar een trein. Einstein vroeg zich echter af: hoe weten we dit?
Het antwoord is de aarde. Dit is wat we als stationair beschouwen en daarom schrijven we snelheid toe aan objecten met betrekking tot het. Maar wat als de aarde niet zou bestaan? Hoe weten we of ons ruimtevaartuig in beweging is of dat het ruimtestation van ons af beweegt? Het eerste dat in je opkomt zijn de wetten van de fysica. Misschien zijn er enkele regels die rekening houden met snelheid, en zo leren we van het verloop van verschijnselen, of we nu staan of bewegen?
De beste kandidaat zijn magnetische en elektrische velden. Op school leerden we dat het echt één kracht is: elektromagnetisme. Het werk van de Nederlandse natuurkundige Hendrik Lorenz laat zien dat licht, dat eigenlijk een wisselend elektromagnetisch veld is, altijd met dezelfde snelheid moet bewegen, ongeacht onze beweging.
Hoe te controleren? Aangezien we weten dat de aarde (vrij snel) rond de zon en om haar as beweegt, zal, als de lichtsnelheid afhangt van de beweging, een lichtstraal die van west naar oost beweegt – en dus in de richting van de beweging van de aarde – moet dezelfde weg volgen, anders dan de tweede, van noord naar zuid. Een dergelijk experiment werd uitgevoerd door de Amerikaanse wetenschappers Albert A. Michelson en Edward Morley. En het bleek dat de snelheid van het licht echt niet afhangt van de richting van zijn beweging.
Speciale relativiteitstheorie
Beweging bestaat alleen in de context van twee waarnemers die hun systemen vergelijken, het is altijd wederzijds en het heeft geen zin om systemen in rust te definiëren. Daarom moeten alle correcte natuurkundige theorieën onafhankelijk zijn van snelheid en positie, en ook van tijd. Als het anders was, zou het mogelijk zijn om onderscheid te maken tussen mobiele en stationaire systemen.
Hoe om te gaan met deze constante lichtsnelheid? Dit betekent tenslotte dat als het ruimte “baken” een lichtsignaal zou uitzenden, en we een raket zouden raken die vliegt met een snelheid die dicht bij de lichtsnelheid ligt, en dit signaal zou achtervolgen, het net zo snel zou weggaan van ons en de vuurtoren . Dit is paradoxaal, maar niet de verbeelding van een kind.
Als dat zo is, dan neemt ofwel de afstand tussen ons en de straal toe, ofwel vertraagt de tijd voor ons. De mate van ruimteuitrekken of tijddilatatie is evenredig met de relatieve snelheid. In het geval van het nastreven van licht, zal de ruimte zich oneindig uitrekken en zal de tijd stoppen.
We bereiken een punt waarop onze verbeelding misschien niet genoeg voor ons is. Wat betekent het dat de tijd stopt? Zullen we in één positie bevriezen? Nou nee, we zullen normaal leven in ons referentiekader – maar we zullen ons voelen als goden die buiten de tijd van de rest van het universum bestaan. Maar aangezien beweging relatief en wederzijds is, kunnen we hetzelfde zeggen over de wereld buiten ons. Dus wat is gelijktijdigheid? Hoe verzoen je het principe van oorzaak en gevolg hiermee?
Alle implicaties van de relativiteitstheorie zijn nog niet begrepen. Einstein noemde twee van de belangrijkste. Ten eerste is het onmogelijk om de lichtsnelheid te bereiken. De energie die nodig is om de snelheid te verhogen, neemt omgekeerd evenredig toe met het verschil tussen de snelheid en de lichtsnelheid. Een object dat met de snelheid van het licht beweegt, heeft oneindig veel energie. Maar aangezien beweging relatief is, wat is deze energie dan? Zoals we ons herinneren van school, is de energie van beweging evenredig met snelheid en massa. Dus Einstein zei dat het enorm zou moeten zijn. Hieruit ontleende hij zijn beroemdste vergelijking. E=mc^2 – massa is een vorm van energie in rust.
De tweede conclusie uit de constantheid van de lichtsnelheid is de noodzaak om de tijd als vierde dimensie te integreren in de ons bekende driedimensionale ruimte, die al in de oudheid door Euclides is beschreven. Alleen ruimte-tijd die op deze manier is gecreëerd, voor het eerst gedefinieerd door de Duitse wiskundige Hermann Minkowski, zal de natuurkunde correct beschrijven. Een punt in de ruimtetijd is een specifieke locatie in de ruimte op een bepaald punt in de tijd. Het segment van ruimte-tijd dat twee van zijn punten verbindt, is de afstand tussen twee gebeurtenissen.
Algemene relativiteitstheorie
Massa is niet alleen een maat voor de kracht die moet worden uitgeoefend om een object in beweging te brengen, en dus ook voor de mate van traagheid. Massa is ook de bron van zwaartekracht. Deze definities verwijzen naar totaal verschillende fenomenen. Kunnen ze dezelfde fysieke hoeveelheid bevatten? Dergelijke “incidenten” gebeuren niet in de natuur.
Het bijbehorende experiment werd uitgevoerd door de Hongaarse geofysicus Lorand Eötvös met behulp van een torsieslinger. Het bleek dat de traagheids- en zwaartekrachtsmassa’s absoluut gelijk zijn. Voor Einstein was dit het bewijs dat, net als de elektrische en magnetische velden, zwaartekracht en traagheid hetzelfde patroon moeten volgen. Onder invloed van een kracht veranderen we de waarde of richting van onze snelheid, wat in de natuurkunde versnelling wordt genoemd. Versnelling is een verandering in snelheid, en snelheid is altijd relatief. Omdat beweging zelf relatief is, moet versnelling ook relatief zijn.
Geïnspireerd door het voorbeeld van de aarde, het gekromde oppervlak waarop we leven en meten, wist Einstein dat een plat oppervlak niet de enige mogelijkheid was die de geometrie toelaat. Als de vierdimensionale ruimte-tijd geen vlak zou zijn, dan zouden de banen van objecten die verstoken zijn van externe interferentie en daarom in rechte lijnen bewegen volgens de klassieke natuurwetten, gekromd moeten zijn.
In sommige systemen kan dit worden verklaard door de zwaartekracht, in andere – door traagheid en in het model – eenvoudig door de kromming van de ruimte. Twee treinen die op aangrenzende parallelle sporen rijden, of op hetzelfde spoor maar met een constant interval, kunnen met elkaar in botsing komen.
Het was noodzakelijk om de concepten van parallellisme en direct te heroverwegen, evenals het concept van tijd. Omdat de ruimte gekromd is, moet het licht ook in zulke bochten gekromd zijn. Omdat kromming effecten zoals zwaartekracht moet veroorzaken, moet elke massa ruimte-tijd-inhomogeniteiten creëren en zo bijvoorbeeld het verstrijken van de tijd beïnvloeden.
Veel van deze conclusies zijn experimenteel bevestigd, zoals het ongelijkmatige tijdsverloop op het dichtstbijzijnde en verste punt van de baan van Mercurius, wat leidt tot zijn langzame veranderingen, of het vermogen om sterren te zien die verborgen zijn achter andere massieve kosmische lichamen. Vele anderen wachten nog op bevestiging.
